陳富夫， 劉建新

(西華大學機械工程與自動化學院 ，四川成都 610039)

?

MCGS和PLC在拋光機器人上的應用

陳富夫， 劉建新

(西華大學機械工程與自動化學院 ，四川成都 610039)

摘要拋光軌跡和拋光力是拋光工藝中的兩個重要參數，本文通過運用MCGS組態(tài)軟件，觸摸屏，PLC控制器等軟硬件設備對原有的拋光機器人運動控制系統(tǒng)進行了改進，實驗結果表明該系統(tǒng)達到預期要求，更具實用性。

關鍵詞機器人MCGS組態(tài)軟件PLC運動控制

0引言

拋光是機械加工過程中的的一項重要工序，其目的是去除上一步加工后的加工痕跡，以及零部件四周和表面的毛刺，以獲得光滑、光亮的表面，滿足零件表面粗糙度等技術要求。目前該工藝的實施主要還是靠工人手持拋光工具對產品工件進行打磨拋光，這種方式效率低下、產品質量次，工作工程中的細微粉塵非常傷害工人身體，高速旋轉的打磨機等工具也具有危險性，稍有不慎就可能引發(fā)安全事故。同時伴隨用企業(yè)用工成本的持續(xù)上漲，加之機器人制造技術和控制技術的飛速發(fā)展，目前國內外許多制造型企業(yè)也都引進了基于機器人的自動化技術，但這類機器人系統(tǒng)復雜，使用成本和維護成本都不低，對一些微利的制造企業(yè)而言是不小的負擔。針對這種情況，本文利用組態(tài)軟件，PLC控制器等軟硬件設備對前期搭建的拋光機器人運動控制系統(tǒng)進行了大膽地改進，重新設計了更合理的人機控制界面和控制程序，工人通過該界面就能非常方便的根據需要完成對工件的拋光。

1拋光原理介紹

根據赫茲接觸理論，兩物體因受壓相觸后將會產生局部應力和應變，在接觸點附近材料會發(fā)生局部變形，變形區(qū)域近似橢圓形，各處的形變量由于材料本身特性的不同也不同，這使得表面各單位面積上的壓力也不相同，但是垂直方向上將產生最大的力，這個力就是拋光力。拋光工具對模具表面進行拋光時，在法向拋光力的作用下兩者之間形成一個接觸區(qū)域，模具表面材料的去除就發(fā)生在這個區(qū)域內，所以在拋光工藝中，拋光力恒定對拋光效果起著主要作用。針對大批量，規(guī)格化的產品，在人工拋光過程中的接觸力和工具運動速度就很難保持恒定，影響拋光效果。

結合具體實踐經驗來看，拋光方式大致可歸結為兩類：一類是固定工件，拋光工具相對工件運動；一類是固定拋光工具，工件相對工具運動。但是對于表面積較大的工件，多數情況下采用的是第二種方式。此外，拋光軌跡的均勻性也十分重要，它保證了工件表面各點具有相同的材料去除率。由此推斷拋光過程中的拋光力和拋光運動方式是影響拋光效果的兩個至關重要的因素。

2控制系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)組成及原理

該系統(tǒng)硬件由直角坐標機器人骨架、PLC控制器、觸摸屏、伺服驅動器等組成。直角坐標機器人是一種以單個運動軸的直線運動為基礎,在空間上一般分為水平運動的x軸和Y軸以及垂直運動的Z軸組成的設備，該類機器人具有6個自由度，可以在允許的空間范圍中隨意運動，因此具有很大的靈活性。由于需要保證機器人一定的運動精度，所以該機器人所有軸的驅動均采用交流伺服電機作為動力源，電機型號均為松下A4系列的MSMD042P1U，伺服驅動器型號為MBDDT2210，相關參數設置為出廠設置，考慮到傳動的平穩(wěn)性以及系統(tǒng)的載荷能力，三軸均配置相應的高精度齒輪減速器。系統(tǒng)采用臺達系列的小型PLC作為機器人控制核心，它通過接收上位機發(fā)出的指令來完成對機器人運動的控制。觸摸屏作為人機交互的媒介，通過RS—232串口完成與下層控制器的連接，以便快速的將PLC內存中的數據反饋到界面上。控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

2.2PLC與MCGS的通信和數據連接

組態(tài)軟件MCGS是數據采集與過程控制的專用軟件，具有它豐富的動畫圖形功能和全中文的操作環(huán)境。作為人機交互的軟件媒介，它必須與PLC建立通信才能完成對機器人的控制和數據采集工作。點擊MCGS軟件的設備窗口，在彈出的設備窗口中選擇設備串口父設備，根據控制器種類選擇對應的PLC種類，設置好后通訊參數后即可完成上位機與PLC的通訊連接。通訊連接建立以后必須在實時數據庫中將MCGS中的變量和PLC寄存器一一對應起來才能實現(xiàn)對機器人的控制。臺達DVP—32EH機型的PLC支持RS-232通訊方式，通訊參數設置為波特率9600，數據位7位，停止位1位，偶檢驗方式。通訊連接及參數設置過程如圖2所示：

圖2　MCGS與PLC通訊連接及參數設置

2.3上位機控制界面設計

上位機操作界面是操作人員對設備進行操作的接口，良好簡潔，結構合理的人機界面在設備操作過程中尤為重要。在對工件拋光的過程中并不是對整個工件進行全面拋光，而是根據工藝技術要求和工件表面的狀況對工件表面進行選擇性的拋光，所以針對不同的情況需要對機械手進行不斷的重新定位，考慮到這些因素，利用MCGS的頁面關聯(lián)性屬性，分別設計了用于不斷調整定位的“單軸監(jiān)控”界面和用于目標位置拋光和參數輸入的“聯(lián)動監(jiān)控”界面，兩個界面中都利用坐標圖來實時顯示各軸運動情況，方便對異常情況進行監(jiān)控。

2.3.1單軸監(jiān)控界面

該監(jiān)控界面主要用來對機器人的各個單軸進行位置調整，通過MCGS設計軟件的工具箱選擇相應的控件圖標，在該界面上設置了“原點設置”、“返回原點”、“急停”、“聯(lián)動”、“軌跡清零”以及X、Y、Z方向上的六個方向控制按鈕。調整好各軸位置后，“原點設置”用于設置目標拋光區(qū)域的起點。整個界面設置了指示燈來監(jiān)控觸摸屏與PLC的通信情況，操作人員可以通過指示燈的狀態(tài)變化來發(fā)現(xiàn)問題，及時排除故障。

2.3.2聯(lián)動監(jiān)控界面

通過“單軸監(jiān)控”界面中單擊“聯(lián)動”按鈕就能進入“聯(lián)動監(jiān)控”界面。該界面用于對預定拋光軌跡的選擇和拋光區(qū)域的范圍設置，該系統(tǒng)中預置了四種常用的拋光軌跡模式，用于可根據需要結合零件大小選擇相應的模式。該套系統(tǒng)仿照數控系統(tǒng)的設置模式，通過設置拋光范圍的X軸、Y軸邊界坐標、拋光速度、拋光進給量等各種參數來達到加工要求， 聯(lián)動界面設計如圖3所示。設計好人機操作界面以后，需要再對控件定義變量(數據對象)，組態(tài)的上位機控制功能的實現(xiàn)還必須將定義的變量在MCGS的實時數據庫中與PLC相應寄存器之間的連接，這樣才能實現(xiàn)相應數據的下置和上傳。

圖3　拋光聯(lián)動控制界面

2.4下位機程序設計

PLC具有的抗干擾能力強、適應惡劣工作環(huán)境的特點使得它成為工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用的工業(yè)控制計算機，同時由于該機器人控制系統(tǒng)并不算復雜，綜合經濟性方面的考慮，選用PLC做控制器是合適的。本系統(tǒng)采用的是臺達DVP-32EH型的可編程序控制器，具有32點I/O，軟件采用與控制器配套的梯形圖編程軟件。考慮到整個控制程序較為復雜，考慮到程序的易讀性和可修改性，編程過程中采用了主程序加子程序的模塊化編輯思路，系統(tǒng)程序主要由主軸控制主程序、四種軌跡控制子程序、循環(huán)子程序、步長計算子程序組成，主程序通過控制器內置的CALL指令來完成對子程序的調用。此外，在軌跡計算的過程中使用到了變址寄存器來輔助計算和存放目標區(qū)域的地址，使得程序更加簡潔和方便。 PLC控制流程圖如圖4所示。

圖4　PLC控制流程圖

3實驗運行

最后在“聯(lián)動監(jiān)控”的控制界面選擇圓形軌跡模式(模式三)進行拋光實驗，設定目標拋光區(qū)域的四個圓弧定位點(20,20)、(40，0)、(20,-20)、(0,0)，步進長度(輪廓進給量)為5mm，拋光過程及加工效果如圖5所示：

圖5　設備實際運行情況

4實驗結論和分析

實驗結果表明，拋光力的恒定通過對Z軸的控制得以實現(xiàn)，而對X-Y軸的控制則實現(xiàn)了對軌跡的均勻控制。該套運動控制系統(tǒng)能根據操作人員輸入的工藝參數完成目標區(qū)域預定軌跡的拋光工序，同時也可以根據現(xiàn)場情況隨時調整工藝參數。但是不足之處在于垂直方向上的力不能直觀控制，這使得最佳拋光力必須經過多次實驗才能取得，這間接影響到了最終的拋光效果，這為系統(tǒng)后續(xù)研究和改進指明了方向。

參考文獻

[1]張蕾，袁楚明，周祖德，等. 模具曲面拋光時表面去除的建模與實驗研究[J]. 機械工程學報，2002(2):98-102.

[2]王瑞芳，徐方. 機器人研磨拋光工藝研究與實現(xiàn)[J].新技術新工藝，2008(9):19-22.

[3]王炎歡，陳阿三，劉鑫茂. 直角坐標機器人控制系統(tǒng)的研制[J]. 輕工機械，2010(8)：67-69.

[4]趙萍，陶黎，王志偉，等. 平面研磨拋光軌跡研究[J]. 航空精密制造技術，2004(9):1-6.

[5]李輝，戴怡. 基于PLC的經濟型龍門式數控鉆床控制系統(tǒng)設計[J]. 機床與液壓，2011(6):67-69.

[6]金鵬，劉建新，史素敏. 拋光直角坐標機器人控制系統(tǒng)設計[J]. 機械設計與制造，2013(9):200-202.

第一作者：陳富夫(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：機電控制理論及其應用技術。

Application of MCGS and PLC on Polishing Robot

CHEN Fu-fu, LIU Jian-xin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu 610039)

Abstract：The polishing path and polishing force are two important parameters in the process of polishing. The motion control system for polishing robot was improved by using MCGS configuration software, touching screen, PLC Controller and other software and hardware equipments. The experiment results showed that the system had met the expected requirements and become more practical.

Key words：robot, MCGS configuration software, PLC, motion control

文獻標志碼：中國分類號：TP249 B

基金項目：四川省科技廳科技支撐計劃(2010GZ0132)。

收稿日期：2014-12-20